在ADC芯片40多年的歷史中，其基本架構(gòu)、設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)趨近于成熟，但在龐大的消費電子領(lǐng)域中，如此復(fù)雜而成熟的芯片有時也會成為機器性能的瓶頸。雖然在芯片領(lǐng)域之外的人較少關(guān)注，但ADC芯片技術(shù)含量較高，用途廣泛，從測量儀器、手機、HiFi耳機到5G通信基站中都存在不同種類的ADC，部分高端產(chǎn)品甚至受到美國商務(wù)部出口管控的限制。

當(dāng)前，移動設(shè)備的升級換代速度比以往更快。每年，科技巨頭們都會制造出速度更快、功能更強大、電池續(xù)航時間更長的移動終端。蘋果、三星等公司之所以能奇跡般地實現(xiàn)目標(biāo)，主要是因為世界各地的工程人員不斷設(shè)計出更加節(jié)能的高速傳輸芯片。

來自美國楊百翰大學(xué)的研究者構(gòu)建了世界上能效最高的高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC）。在大部分電子設(shè)備中，ADC是能將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的電子元件，該轉(zhuǎn)換過程一般包括取樣、保持、量化、編碼4個過程。

這項研究由中國臺灣的一些機構(gòu)贊助，耗時四年，包括設(shè)計芯片的三年和測試芯片的一年。研究團(tuán)隊包括國立陽明交通大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校的研究者，這篇論文在2021年2月發(fā)表在《IEEE固態(tài)電路》雜志，Swindlehurst為論文的第一作者。

楊百翰大學(xué)電氣與計算機工程教授Wood Chiang、博士生Eric Swindlehurst和其他團(tuán)隊成員創(chuàng)建的ADC，在10GHz的超寬頻無線通訊中僅消耗21毫瓦的功率，遠(yuǎn)低于此前數(shù)百毫瓦或瓦級別的功率，創(chuàng)造了世界上ADC的最高能效紀(jì)錄。

Chiang教授說：「全球有很多團(tuán)隊致力于ADC，這就像是一場以更快更省油為目標(biāo)的造車競賽。打敗全球范圍內(nèi)的對手很難，但我們做到了。」

通信系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)越來越高的帶寬意味著電路將要消耗更高的功率，楊百翰大學(xué)的研究者著眼于ADC電路的關(guān)鍵部分DAC，代表了與ADC完全相反的核心部分：數(shù)字-模擬信號轉(zhuǎn)換器。

研究者通過調(diào)整電容器平行板的面積和間距來減少DAC的負(fù)載，使得轉(zhuǎn)換器更快、更高效。此外，研究者采用與傳統(tǒng)方式不同的方式對單元電容進(jìn)行分組，將屬于DAC中同一比特位的單元電容分在一組，而不是將它們貫穿在一起。這一方法使得底板的寄生電容降低到三分之一，從而大大降低功耗且提高了速度。

最后，研究者使用了自舉開關(guān)，使其成為雙路徑，因此每個路徑可以獨立優(yōu)化。這種方法在不需要額外硬件的前提下提高了速度，主要是拆分現(xiàn)有設(shè)備并更改電路中的路由。

實驗表明，該ADC采用28nm CMOS 工藝，在 Nyquist上工作時獲得了36.9 dB 的 SNDR，功率為21毫瓦，F(xiàn)oM 為37fj/conv-step，刷新了世界上的最低功耗紀(jì)錄。

「我們證明了全新芯片技術(shù)的特殊能力，」Wood Chiang說道。「這項工作讓該領(lǐng)域向前推進(jìn)了一大步，為消費者帶來諸多便利。由于它的存在，你的WiFi連接將會延遲更低，上傳下載帶寬更大，可以輕松觀看4K或8K的視頻，同時讓手機獲得更長的待機時間。」

Wood Chiang表示，ADC的應(yīng)用范圍還包含自動駕駛汽車（需要很大的無線網(wǎng)絡(luò)帶寬），智能眼鏡等智能穿戴設(shè)備，以及可植入芯片等。

這種設(shè)備仍需要復(fù)雜的設(shè)計和驗證，以確保轉(zhuǎn)換器中的數(shù)千個連接都能夠正常運作。在設(shè)計過程中，每個錯誤可能要花費至少一年的時間來糾正，所幸研究團(tuán)隊并沒有犯錯。

「這就像在構(gòu)建一座小城市，項目其中包含大量細(xì)節(jié)，」Wood Chiang說道。「研究團(tuán)隊完成了非常出色的工作，所有部分都完美地融合在一起，實現(xiàn)了這一工程壯舉。我對能在楊百翰大學(xué)和這些優(yōu)秀的學(xué)生們共事而感到榮幸。」

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